比亞迪

刀片電池永不燃？

第一電動(dòng)大牛作者電動(dòng)星球News蟹老板 2020-04-01 07:55

「把’自燃’這個(gè)詞從新能源汽車的字典里徹底抹掉。」上周日，當(dāng)比亞迪董事長(zhǎng)王傳福在比刀片電池上市發(fā)布會(huì)上說(shuō)出這句話時(shí)，電動(dòng)圈瞬間「炸」了。

更「炸」的是比亞迪隨后公開的三種動(dòng)力電池（三元鋰電池、磷酸鐵鋰塊狀電池、刀片電池）一刀未剪針刺實(shí)驗(yàn)視頻。視頻中：

三元鋰電池：劇烈燃燒，表面溫度超過(guò)500攝氏度，電池表面的雞蛋被炸飛；
磷酸鐵鋰電池：無(wú)明火，有煙，表面溫度200-400攝氏度，電池表面的雞蛋被烤焦；
比亞迪刀片電池：無(wú)明火，無(wú)煙，表面溫度30-60攝氏度，電池表面的雞蛋無(wú)變化。

為何三種電池在視頻中的差異如此之大？

原因首先來(lái)自材料特性?！禞ournal of Power Sources》一篇論文指出，鋰電池在內(nèi)部短路時(shí)，最多 70% 能量會(huì)在最快 60 秒內(nèi)釋放。活性越高的電池，釋放時(shí)間越短。

舉個(gè)例子，一個(gè) 50 KWh 電池組發(fā)生針刺造成的內(nèi)部短路，瞬時(shí)能量外泄的功率可以達(dá)到 2100 KW，相當(dāng)于 500 個(gè)家用燃?xì)庠畹淖畲竽芰酷尫殴β省?/span>

三元鋰電池活性高，由于材料特性、達(dá)到分解溫度后還會(huì)釋放氧氣，進(jìn)而會(huì)加速高溫作用下的連鎖熱失控。

雖然技術(shù)上已經(jīng)可以有效降低失控風(fēng)險(xiǎn)。但在遭遇類似針刺這樣的擊穿事故時(shí)，卻很難避免視頻中的激烈燃燒。

磷酸鐵鋰塊狀電池活性相對(duì)更低，脾氣也要比三元鋰好很多。

首先是傳熱啟動(dòng)溫度高， 500 度以下材料都比較穩(wěn)定；其次是放熱慢、產(chǎn)熱少，分解時(shí)也不釋放氧氣。

因此針刺時(shí)雖然冒煙了，表面溫度也去到 200 度，但并未出現(xiàn)明火。

那同樣是磷酸鐵鋰材料的刀片電池，為何針刺后表面雞蛋都無(wú)變化？

中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高在發(fā)布會(huì)直播時(shí)給了一個(gè)解釋。

他說(shuō)，刀片電池采取了長(zhǎng)條形電芯的設(shè)計(jì)，所以散熱面積比較大；另外一方面，它的短路回路長(zhǎng)，所以產(chǎn)熱能力也相對(duì)下降。一方面產(chǎn)熱下降，另一方面散熱加強(qiáng)，刀片電池的溫升速率就會(huì)比較小，進(jìn)而表現(xiàn)「非常優(yōu)異」。

看完視頻，我們意識(shí)到，這是比亞迪蟄伏兩年后在動(dòng)力電池技術(shù)路線上的大反攻。用王傳福的話說(shuō)，就是撥亂反正、糾偏，要讓「刀片電池引領(lǐng)全球動(dòng)力電池安全新高度」。

反正，糾偏的對(duì)象是三元鋰電池路線，無(wú)論是鎳鈷錳還是鎳鈷鋁。

但到底什么是刀片電池？「永不燃」的底氣在哪里？對(duì)消費(fèi)者而言，又有什么意義？

一、什么是刀片電池？

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的「心臟」。它的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是能量密度。能量密度低，續(xù)航就低；續(xù)航低，就會(huì)有續(xù)航焦慮。

三元鋰電池超過(guò)曾占主導(dǎo)地位的磷酸鐵鋰電池，成為主流技術(shù)路線，就在于它的單體能量密度相較于磷酸鐵鋰而言有優(yōu)勢(shì)。三元鋰電池的單體能量密度大致在 245 wh/kg 左右，磷酸鐵鋰單體能量密度則在 180 wh/kg 左右。

刀片電池電池包

但單體能量密度雖然關(guān)鍵，真正決定電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航的卻是系統(tǒng)（電池包）能量密度。

目前主流電池包都是模組式。里面除了大量單體電芯外，還包括結(jié)構(gòu)件、支撐件、高壓、溫度控制件等。它們占據(jù)大量空間，與電芯一同組成電池包。

電池包能量密度、單體能量密度與續(xù)航的關(guān)系，可以用「糖水」和放入水中的「糖」來(lái)比擬——要讓糖水更甜（續(xù)航更長(zhǎng)），一種方法是提升糖本身甜度（單體能量密度）；另一種是讓杯中的水更少、糖更多。

刀片電池，就是讓「磷酸鐵鋰」電池體系變得「更甜」）的方法。

刀片電池示意圖

首先，刀片電池是一種「大電芯」制造工藝。電芯整體呈長(zhǎng)條形，最長(zhǎng)達(dá)到 2 米以上，是磷酸鐵鋰塊狀電池的近 10 倍?！复箅娦尽箍梢蕴嵘龁误w能量密度，也是目前全行業(yè)發(fā)展的方向。

其次，這是一種新的電池包封裝工藝。直接跳過(guò)模組，通過(guò)長(zhǎng)電芯陣列來(lái)組成電池包，最大效率利用內(nèi)部空間，提升系統(tǒng)能量密度。

「與傳統(tǒng)電池相比，刀片電池的空間利用率提升了 50 %。利用率越高，體積比能量密度就越大?！怪苋瞻l(fā)布會(huì)，比亞迪副總裁、弗迪電池董事長(zhǎng)何龍就專門談了這一點(diǎn)。

何龍說(shuō)，傳統(tǒng)三元鋰電池的電池包空間利用率只有 40%，60% 的空間都用來(lái)做防護(hù)和鋪設(shè)零件了。而刀片電池通過(guò)取消模組，使得空間利用率達(dá)到了 60 % 。

如果用「糖水說(shuō)」來(lái)比擬，就是新的制造工藝讓刀片電池的電芯「更甜」了；新的封裝工藝讓刀片電池電池包中的「水」更少了，「糖」更多了。

二者合力，使得比亞迪的刀片電池可以正面去 PK 下三元鋰電池。

比亞迪即將上市的旗艦車型「漢」就裝配了「刀片電池」，其 NEDC 續(xù)航里程高達(dá) 605 公里，是當(dāng)下非常領(lǐng)先的數(shù)據(jù)。刀片電池的高壓放電能力也幫助「漢」的零百加速成績(jī)?nèi)サ?3.9s，進(jìn)入三秒俱樂部。

再多說(shuō)兩句。

周日我們發(fā)微博，有網(wǎng)友評(píng)論刀片電池僅是一種封裝方式，沒什么技術(shù)壁壘。

其實(shí)，僅僅就制造和封裝工藝的改進(jìn)而言，這已經(jīng)是一種大進(jìn)步?？萍冀缫苍缬邢壤?/span>

譬如，2011 年消費(fèi)電子領(lǐng)域的電子晶體管危機(jī)。

發(fā)展了 70 年的電子晶體管在當(dāng)時(shí)一直無(wú)法突破 30 納米以下工藝。最終是英特爾推出了全新的晶體管排列方式——3D 晶體管，才讓整個(gè)行業(yè)進(jìn)入 22 納米制程。

方法看起來(lái)也很簡(jiǎn)單，就是通過(guò) 3D 技術(shù)將晶體管打造成上下左右均可通過(guò)電流的長(zhǎng)方體，從而使晶體管在同一時(shí)間可以通過(guò)更多的電流，而關(guān)閉時(shí)可以將電流損失降低至 0。

但正是這個(gè)技術(shù)，讓以硅為主要材料的晶體管迎來(lái)新生。制造工藝也從 22 納米發(fā)展至如今的 7 納米。

3D 晶體管也是一種制造工藝或者說(shuō)封裝工藝，但在 intel 量產(chǎn)后，其他廠商卻花了兩年左右時(shí)間才追趕上來(lái)。刀片電池，一定意義上同樣如此。

二、刀片電池「永不燃」？

如前文所言，刀片電池解決磷酸鐵鋰電池包變得更「甜」了，能提供與三元鋰等同的續(xù)航里程。但電池包畢竟不是「糖水」，安全是與續(xù)航同樣重要的指標(biāo)。尤其當(dāng)「甜度」差別不大時(shí)。

周日發(fā)布會(huì)，比亞迪說(shuō)的最多的其實(shí)是「安全」，而且很勁爆。我們開玩笑說(shuō)比亞迪試圖用三個(gè)雞蛋將三元鋰電池體系按在地上摩擦。

先看看說(shuō)了什么。

「將高能量密度三元電池的安全問(wèn)題暴露無(wú)遺?！雇鮽鞲Ｕf(shuō)。他認(rèn)為之前電動(dòng)汽車過(guò)分追求、攀比能量密度了，加上品控水平不一、三元材料本身特性，導(dǎo)致過(guò)去幾年電動(dòng)汽車自燃、爆燃現(xiàn)象明顯增多，影響了消費(fèi)者信心。

何龍同樣「犀利」，說(shuō)針刺測(cè)試原本是國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，但因?yàn)槿姵剡^(guò)不了這個(gè)測(cè)試，所以又被拿掉了?！?/span>如果這個(gè)測(cè)試很容易通過(guò)，市場(chǎng)上就不會(huì)有這么多安全事故?！?/span>

上海地庫(kù)特斯拉 Model S著火事件截圖

話尖銳，就不太好聽。但過(guò)去兩年，電動(dòng)汽車自然、燃爆現(xiàn)象的確有所增加。最出名的，莫過(guò)于上海特斯拉燒地庫(kù)。即使是保時(shí)捷這樣的頂級(jí)汽車品牌，今年開春也爆出類似事故。

新國(guó)標(biāo)也的確取消了強(qiáng)制性針刺實(shí)驗(yàn)。

新國(guó)標(biāo)將 2015 國(guó)標(biāo)的 10 項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目（過(guò)放電、過(guò)充電、短路、跌落、加熱、擠壓、針刺、海水浸泡、溫度循環(huán)、低氣壓）減少到 5 項(xiàng)（過(guò)放電、過(guò)充電、短路、加熱、擠壓、溫度循環(huán)）。針刺試驗(yàn)，只被保留為可選項(xiàng)。

回到針刺實(shí)驗(yàn)本身。

何龍說(shuō)針刺實(shí)驗(yàn)是「動(dòng)力電池安全的珠穆朗瑪峰」。但實(shí)驗(yàn)本身并不復(fù)雜，就是將電池充滿電后，用一根直徑 5mm 的耐高溫鋼針，穿透動(dòng)力電池電芯，造成內(nèi)部短路并維持 1 個(gè)小時(shí)，看會(huì)否起火、爆炸。

比亞迪還立了個(gè) Flag，意思是除了比亞迪外，其他家都不敢這樣干。

相關(guān)的技術(shù)分析，文章開頭也說(shuō)過(guò)。刀片電池「表現(xiàn)優(yōu)異」，與磷酸鐵鋰的材料特性相關(guān)，也與刀片電池的獨(dú)特設(shè)計(jì)相關(guān)。

而這樣的「表現(xiàn)優(yōu)異」，還不局限于針刺實(shí)驗(yàn)這一種。

它還包括擠壓測(cè)試——擠壓模擬的是汽車在極端碰撞情況下的電池形變，刀片電池在被極度擠壓、甚至幾乎斷裂的情況下，依然沒有起火，只是冒煙。

爐溫測(cè)試——模擬車輛周圍出現(xiàn)火情的情況。將刀片電池從常溫加熱到 300 度時(shí)，沒有爆炸沒有起火。

過(guò)充測(cè)試——模擬充電時(shí)三級(jí)保護(hù)失效時(shí)，電池被連續(xù)不斷過(guò)充的情形。刀片電池過(guò)充至 260% ，沒有起火爆炸。

王傳福在討論環(huán)節(jié)說(shuō)，不把安全做好，電動(dòng)汽車行業(yè)的健康發(fā)展就是一句空話。電池安全實(shí)驗(yàn)大概有幾百種，針刺實(shí)驗(yàn)是最嚴(yán)苛的。而不管標(biāo)準(zhǔn)有何不同，比亞迪內(nèi)部都會(huì)采用最嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)，將安全放在首位。

何龍則說(shuō)刀片電池已得到了業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可，「幾乎你能想到的所有汽車品牌，都在和我們探討基于刀片電池技術(shù)的合作方案?！?/span>

三、另一種安全

王傳福發(fā)布會(huì)上還說(shuō)一段意味深長(zhǎng)的話：

我認(rèn)為未來(lái)的電池應(yīng)該具有幾個(gè)特點(diǎn)。第一是高安全性，沒有安全性就沒有這個(gè)行業(yè)；第二點(diǎn)應(yīng)該有長(zhǎng)續(xù)航、長(zhǎng)壽命；第三個(gè)是它要對(duì)稀有的金屬依賴要小，我們發(fā)展電動(dòng)車其中一個(gè)原因就是減少對(duì)石油的依賴，另外我們很多金屬也是很少的，像鈷金屬我們就很少。

前面兩點(diǎn)已經(jīng)成為共識(shí)，真正耐人尋味的是第三點(diǎn)。

上圖是鈷金屬過(guò)去 5 年來(lái)的價(jià)格走勢(shì)。可以看出，最近 5 年鈷價(jià)的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)相差超過(guò) 100%。如果鈷價(jià)暴漲的情景重現(xiàn)，動(dòng)力電池的價(jià)格必將受到極大的影響。事實(shí)上，無(wú)鈷化已經(jīng)是當(dāng)下廠商努力的方向。特斯拉也在提「無(wú)鈷電池」。業(yè)界目前認(rèn)為大概率也會(huì)是磷酸鐵鋰路線。

鎳的價(jià)格同樣在過(guò)去一年經(jīng)歷過(guò)一輪暴漲暴跌。

鎳和鈷都是三元鋰電池不可或缺的元素。但相關(guān)報(bào)告指出，鎳、錳等10種礦產(chǎn)是我國(guó)短缺礦產(chǎn)，鈷、鉑族等9種礦產(chǎn)是我國(guó)嚴(yán)重短缺礦產(chǎn)。

中國(guó)電動(dòng)汽車市場(chǎng)已經(jīng)高居全球第一，如果動(dòng)力電池正極材料嚴(yán)重依賴國(guó)際市場(chǎng)，被卡脖子是意料之中的。

四、結(jié)尾

比亞迪研發(fā)磷酸鐵鋰電池已經(jīng) 15 年了。

雖然 2019 年比亞迪 10.757 Gwh 動(dòng)力電池裝機(jī)量中，7.97 Gwh是三元，磷酸鐵鋰的只有 2.77 Gwh。

但刀片電池的發(fā)布，以及王傳福專利第一著作人的署名，卻說(shuō)明比亞迪從未放棄磷酸鐵鋰的再研發(fā)。

弗迪系的浮出水面（弗迪電池、弗迪動(dòng)力、弗迪科技、弗迪視覺和弗迪模具），以及何龍的那句「你能想到的所有汽車品牌，都在和我們探討基于刀片電池技術(shù)的合作方案」，更說(shuō)明這是一場(chǎng)比亞迪掀起來(lái)的、動(dòng)力電池領(lǐng)域的全面戰(zhàn)爭(zhēng)。